[发明专利]结构化颗粒及其在锂可再充电电池组中的使用

说明书

本申请是申请日为2008年7月17日、申请号为200880025163.8、发明名称为“制造由硅或基于硅的材料构成的结构化颗粒的方法及其在锂可再充电电池组中的使用”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及包括硅的颗粒、制造颗粒的方法、包含颗粒作为其活性材料的电极、电化学电池(cell)、锂可再充电电池阳极、电池、由电池供电的装置、产生复合电极的方法、制造锂可再充电电池的方法以及制造含硅纤维的方法。

背景技术

最近对于诸如移动电话和笔记本电脑的便携式电子装置的使用的增加和在混合电动车辆中使用可再充电电池组(battery)的新兴趋势，已经产生了对用于向上述装置和其他电池组供电装置提供电力的更小、更轻、更长寿命的可再充电电池组的需求。在20世纪90年代期间，锂可再充电电池组(特别地，锂离子电池组)变得流行，就售出数量而言，现在其统治着便携式电子设备市场并被用来应用于新的、对成本敏感的应用。然而，由于越来越多的耗电功能(例如，移动电话中的照相机)被加入到上述装置中，因此需要每单位质量和每单位体积存储更多能量的改进的且成本更低的电池组。

公知可以使用硅作为可再充电锂离子电化学电池组电池(battery cell)的活性阳极材料(参见，例如，Insertion Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries,M.Winter,J.O.Besenhard,M.E.Spahr,and P.Novak in Adv.Mater.1998,10,No.10)。图1示出了常规锂离子可再充电电池组电池的基本构成，其包括基于石墨的阳极电极，该部件将被基于硅的阳极所取代。该电池组电池包括单个电池，还可包括多于一个的 电池。

电池组电池通常包括用于阳极的铜集电体(current collector)10和用于阴极的铝集电体12，集电体10和12可根据需要而被外部连接到负载或连接到再充电电源。基于石墨的复合阳极层14覆盖集电体10，并且基于含锂金属氧化物的复合阴极层16覆盖集电体12。在基于石墨的复合阳极层14与基于含锂金属氧化物的复合阴极层16之间设置多孔塑性间隔物或分离物20，并且液体电解质材料被分散在多孔塑性间隔物或分离物20、复合阳极层14以及复合阴极层16内。在一些情况下，可以用聚合物电解质材料取代多孔塑性间隔物或分离物20，并且在这些情况下，聚合物电解质材料存在于复合阳极层14和复合阴极层16二者内。

当电池组电池完全充满电时，锂经由电解质而从含锂金属氧化物输运到基于石墨的层中，在该处，锂与石墨反应生成化合物LiC₆。作为复合阳极层中的电化学活性材料，石墨具有372mAh/g的最大容量。注意，在负载两端设置电池组的意义上使用术语“阳极”和“阴极”。

通常认为，当将硅用作锂离子可再充电电池中的活性阳极材料时，硅提供的容量显著高于当前所使用的石墨。当通过在电化学电池中硅与锂反应而转变为化合物Li₂₁Si₅时，硅具有4200mAh/g的最大容量，该容量显著高于石墨的最大容量。因此，如果在锂可再充电电池组中可用硅来取代石墨，便可以实现所希望的每单位质量和每单位体积的存储的能量的增加。

在锂离子电化学电池中使用硅或基于硅的活性阳极材料的现有方法不能在经过了所需数目的充电/放电循环之后维持容量，因此在商业上是不可用的。

本领域中公开的一种方法使用粉末形式的硅(例如，具有10μm直径的颗粒或球基元(element))，在某些实例中其被制造为复合物(具有或不具有电子添加剂)并包含涂敷在铜集电体上的诸如聚偏氟乙烯的适宜的粘结剂。然而，该电极系统在经受重复的充电/放电循环时不能维持容量。认为该容量损失归因于硅粉末块(mass)的由与锂插入/抽离宿主硅相关联的体积膨胀/收缩导致的局部机械隔离。这反过来又引起硅基元与铜集电体 和其自身的电隔离。此外，体积膨胀/收缩使球基元破裂，从而导致在球基元本身内部的电接触的损失。